1、毕 业 设 计（论 文）毕 业 论 文课题名称 基于太阳能电池供电的复合电源控制系统的设计系 部 电气工程系专 业 电气工程及其自动化班 级 T1123-2学 号 *姓 名 *指导教师 *2014 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）摘要本文对复合电源的控制系统进行研究。复合电源室友超级电容和铅酸电池并联构成，将蓄电池的高比能量和超级电容的高比功率的优点结合到了一起。超级电容可在电机负载启动的过程中提供强大的电流，避免了因大电流放电而损坏铅酸电池，可延长铅酸电池的使用寿命；在电机制动的过程中反馈的大电流可由超级电容吸收，实现能量的回收，同时又保护了铅酸电池不受大电流的冲击而损坏。本文的研究内容对
2、复合电源控制系统进行了初步的探索。在了解复合电源的特性的基础上，了解了复合电源控制系统中需完成的工作任务。并根据复合电源的控制目标，制定了具体的控制方法，在一定的实际平台上进行控制方法的模拟测试以及对系统部分工作模式进行了实际的测试分析。关键词：复合电源；超级电容；铅酸电池；控制系统2014 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）AbstractThe hybrid power control system was researched in this paper. The hybrid power system constituted by the battery and the ultraca
3、pacitor can combine the advantage of the high energy density of battery and the high power density of ultracapacitor. Ultracapacitor can provide strong current when then motor load is starting in order to avoid the strong current discharge which can destroy the battery and to extend battery life. Th
4、e feedback of strong current can be absorbed by the ultracapacitor when motor is braking in order to implement the energy recovery and protect the battery from the impact of the strong current. The research in this paper can be used as the initial exploration of hybrid power control system.Based on
5、the understanding of the characteristics of hybrid power system, what the control system of hybrid power is required to complete the task is known. According to the control target of hybrid power system, the specific control methods is formulated, Simulation test is taken for the control methods in
6、practical platform of certain, and some part of the work mode of system is analyzed in the actual test.Key: Composite power supply; ultracapacitor; lead-acid battery; control system2014 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）目录第 1 章 绪论 .- 1 -1.1 研究目的及意义 .- 1 -1.2 国内外现状 .- 1 -1.3 课题主要研究内容 .- 3 -1.4 本章小结 .- 3 -第 2 章 基于太阳能电
7、池板充电系统控制工作原理 .- 4 -2.1 系统总体框图 .- 4 -2.2 系统工作原理 .- 5 -2.3 系统控制方法分析 .- 6 -2.3.1 继电器控制连接框图 .- 6 -2.3.2 系统工作模式 .- 6 -2.3.3 各工作模式下继电器状态 .- 9 -2.3.4 各工作模式间转换时继电器操作顺序 .- 10 -2.4 本章小结 .- 13 -第 3 章 系统控制硬件设计 .- 14 -3.1 各组成模块介绍 .- 14 -3.1.1 光伏电池板 .- 14 -3.1.2 单片机 .- 14 -3.1.3 控制器 DC-DC 变换电路 .- 14 -3.2 单片机控制原理图
8、 .- 15 -3.2.1 最小系统 .- 15 -3.2.2 单片机供电模块 .- 16 -3.2.3 通信模块 .- 16 -3.2.4 开关量输入隔离模块 .- 17 -3.2.5 电压电流采样模块 .- 17 -3.2.6 TL494 输出 PWM 控制 .- 18 -2014 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）3.2.7 主回路继电器控制 .- 19 -3.3 本章小结 .- 19 -第 4 章 系统软件控制方法分析 .- 20 -4.1 软件编程环境介绍 .- 20 -4.2 软件控制总体流程分析 .- 20 -4.3 主程序分析 .- 24 -4.3.1 buck 变换器单片机控
9、制系统 .- 24 -4.3.2 boost 变换器单片机控制系统 .- 27 -4.4 各部分子程序分析 .- 29 -4.4.1 buck 变换单片机控制系统 .- 29 -4.4.2 boost 变换器单片机控制系统 .- 30 -4.5 本章小结 .- 32 -第 5 章 实验结果分析 .- 33 -5.1 各工作模式下实验数据分析 .- 33 -5.2 模式转换控制实验结果分析 .- 36 -5.3 本章总结 .- 37 -全文总结 .- 38 -致谢 .- 39 -参考文献 .- 40 -2014 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）- 0 -第 1 章 绪论1.1 研究目的及意义为
10、了解决环境污染和能源紧缺的问题,“节能减排”在世界各国政府产业政策中都处于重中之重的地位。为此世界各国的政府、学术界、工业界等正在加大对电动汽车开发的力度,加速电动汽车的商品化步伐。单一的能量源不能满足需要,由超级电容和蓄电池组合成复合电源,充分利用超级电容比功率高和蓄电池比能量高的特点 1。超级电容可以在电动汽车启动、加速、爬坡时提供强大的电流,避免了因大电流放电而损坏了蓄电池,延长了蓄电池的使用寿命;在电动汽车下坡或制动时 ,反馈的大电流被超级电容所吸收,实现了能量回收,同时也保护了蓄电池不受大电流的冲击而损坏。同时在如今能源越来越短缺的今天，太阳能作为一种清洁的、取之不尽用之不竭的能源，
11、用做复合电源系统中的能量源也十分有利于能源的利用和环境的保护。复合电源在电动汽车上的应用,具有重要意义,使得对复合电源的控制系统的研究有着重要的意义。本文针对基于太阳能电池供电的复合电源控制系统进行研究。总之,复合电源的应用使电动汽车满足动力性、经济性的要求,提高了电动汽车的实用性,具有重要的实用价值和广阔的发展前景，决定了对于复合电源控制系统的应运而生。1.2 国内外现状复合电源的研制与开发可以进一步提高电动汽车的经济性及动力性,降低整车成本和使用费用,加快电动汽车在我国推广应用的进程,尽快使我国汽车工业在世界汽车舞台上占有一席之地国内一些汽车公司和高校已经加快了对复合电源的研制工作,并且已
12、经取得了相应的进展。2003 年北京理工大学与北方华德尼奥普兰客车股份有限公司共同研制纯电动旅游客车“BFC6110-EV” 2。该车使用安装了铿电子电池组、超级电容储能系统以及先进的多能源管理控制系统、交通驱动系统,目前己通过整车型式认证试验,主要技术指标达2014 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）- 1 -到或超过预定要求。吉林大学汽车工程学院混合动力客车研究组负责承担解放牌混合动力城市客车车载部件的实验工作,对电池装置进行了比较充分的研究,并且掌握了大量的相关数据,为复合电源的开发打下了坚实的基础 3。并且该课题组早已着手复合电源的研制工作,目前已经完成了第一阶段的工作,即仿真软件的编
13、写及开发阶段工作,已经可以进行各种连接及参数匹配形式的仿真研究。总之,国内对由蓄电池和超级电容构成的复合电源的设计与控制理论的研究还刚刚起步,虽然对超级电容的研究和生产已经有了很大的进展,但对复合电源的研究还比较少,还需要长时间的努力。在以后的几年内,复合电源的研究必然会引起人们的高度重视。在国外,复合电源作为电动汽车电源装置已经有原型车问世,不少企业及机构的研究已经取得了一定的进展。FlAT Cinquecento Eletra 使用 Sonnensehein 公司的铅酸电池和 AlsthomAleatel 的超级电容构成复合电源。性能测试结果显示:市区和郊区行驶工况分别节能 40%和 20
14、%,在完整的 ECE 循环工况下节能 14%4。Chugoku 电力公司和丰田公司研发中心合作在 MazdaBongoFriend 上安装由 VRLA和超级电容组成的混合储能系统,并进行相关的性能测试 4。该储能系统使用 402 的Panasonic 超级电容,用超级电容作为负载均衡装置使阀控铅酸电池更好地运用于电动汽车。澳大利亚一家科研机构研制出一台电动汽车,采用的是铅酸电池和超级电容混合,电动机采用永磁无刷直流电动机。在电动汽车启动时,由超级电容提供能量,采用降压斩波驱动; 正常运行时,由蓄电池提供所需能量,采用升压斩波驱动。ISE 公司将 Maxwell 的超级电容整合到汽油、柴油和燃料
15、电池混合动力车之中。特别需要说明的是,自从开发 ThundercaPn 超级电容系统,ISE 已经将其动力系统引入到汽一电混合动力车、柴一电混合动力车、氢一电混合动力车和燃料电池混合动力车的设计之中 5。清洁运行、安静、低维护要求的车辆己经走上了一些美国的城市,包括LongBeach 和 SacramentoCA。ISE 己经与西门子及 Flyer 公司结成伙伴关系,共同生产这些混合动力车。目前,在 ISE 的混合动力和燃料电池公交车上,有 3 万多超级电容器在工作, 提供超过 7500 万法拉的电力驱动和再生刹车功率。早在 2006 年初,Bartley 就估计超级电容供电的公交车队己经提供
16、了超过 200 万英里的清洁、可靠的服务,为我们的星球提供了清2014 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）- 2 -洁的运输服务 5。以上可以看出,国外对复合电源的研究已卓有成效,相信在不久的将来,在电动汽车上,复合电源会得到更广泛的应用。1.3 课题主要研究内容本课题首先针对光伏电池的特性进行了系统性的分析，对光伏电池的原理，负载特性和输出特性曲线等深入掌握和了解，确定了光伏充电器的系统结构。本设计中用到了 buck，boost 变换器，主回路的连接使用继电器控制，继电器则采用单片机控制，buck，boost 变换器均有一块单片机控制，两块单片机之间可相互通信，来控制电路的工作状态。PWM
17、控制电路的核心采用的是 TL494。其中 buck 变换器用于给电容充电，boost 变换器用于给锂电池充电和负载供电，锂电池，超级电容用于给负载供电，考虑到锂电池的充放电特性，及负载启动，制动的特性，超级电容主要作用就是提供负载启动时所需电流，及吸收制动时所能量回馈产生的冲击电流。 总而言之，有以下几点：1. 控制 buck 变换器恒流工作模式2. 控制 boost 变换器恒压、恒流工作模式及模式间的切换3. 控制系统充电工作模式时，变换器的选择以及充电对象的选择。4. 控制负载工作时，供电对象的选择及切换。1.4 本章小结本章主要讲述了本研究课题的目的及意义，国内外现状，及本课题的主要研究
18、内容和研究系统的基本组成。2014 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）- 3 -第 2 章 基于太阳能电池板充电系统控制工作原理2.1 系统总体框图图 2.1 系统总体框图该系统中铅酸电池用于给负载供电，超级电容主要是提供电机启动时所需的大电流，和吸收电机制动时的反馈能量。系统中有两套 DC-DC 变换装置，光伏电池通过 buck 变换器可给超级电容充电，将转化的电能存储到超级电容供电机启动。Boost 变换器可用来给铅酸电池充电，也可用来给超级电容充电，光照充足时还可直接用来给负载供电。总体说来，系统的的工作模式比较多，如何使系统稳定工作及合理的在各个工作模式之间切换时本文研究的关键。201
19、4 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）- 4 -2.2 系统工作原理整个系统各个部分之间协同工作需根据负载的工作状态及光伏电池的能量输出状态来控制系统的运行，同时两个 DC-DC 变换器之间的单片机相互通信，根据对方控制系统的工作状态来控制自身的工作状态，相互之间协调有序运行。针对电机负载的 4 种工作状态，负载不工作、负载启动、负载稳定运行及负载制动。分析系统的工作模式，能量流向。电机负载不工作：此时，若光伏电池无功率输出，则系统不工作，buck, boost 变换器均与太阳能电池板断开连接；若光伏电池有功率输出，系统进入充电状态，光伏电池接 buck 变换器，buck 变换器单片机控制电路
20、向 boost 变换器单片机控制电路发送工作状态，控制 boost变换器不与光伏电池连接，buck 变换器输出端连接超级电容，系统进入给电容充电状态。Buck 变换器单片机控制电路检测电容充电状态，当检测到 buck 变换器对电容充电完成时，断开 buck 变换器与光伏电池的连接，准备进入系统下一状态光伏电池通过 boost 变换器给铅酸电池充电。此时，boost 变换器输出接铅酸电池，光伏电池与boost 变换器连接。当 boost 变换器单片机控制电路检测到铅酸电池充电完成时，boost变换器输出切换到超级电容，给超级电容充电。当 boost 变换器单片机控制电路检测到电容上电压达到上限时，停止充电，断开 boost 变换器与光伏电池的连接。电机负载启动：电机启动时需要较大的启动电流，由超级电容供给。此时，铅酸电池与超级电容并联给负载供电，同时光伏电池通过 boost 变换器给负载供电，boost 变换器此时的工作状态由其单片机控制电路调节至恒压模式。电机负载稳定工作：电机正常工作时，由光伏电池通过 boost 变换器及铅酸电池共同给负载供电。此时，boost 变换器工作于恒压模式。电机制动：电机制动时，会产生较大的反馈电流，此时超级电容与电机连接，用来吸收这部分能量。
